專利名稱：機(jī)械關(guān)節(jié)及仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及四足機(jī)器人，具體涉及機(jī)械關(guān)節(jié)及仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
機(jī)器人技術(shù)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門高新技術(shù)，它綜合了機(jī)械、微電子與計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型載體。大型四足仿生機(jī)械恐龍是四足步行機(jī)器人的一種重要應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于娛樂、影視等領(lǐng)域。眾所周知，仿生機(jī)械恐龍的各種動(dòng)作都是通過各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。其中，仿生機(jī)械恐龍最基本的動(dòng)作是行走動(dòng)作，行走動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)主要是通過腿部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。
現(xiàn)有機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)主要由大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)兩個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)組成，用于實(shí)現(xiàn)大腿和小腿的屈伸，完成抬腿動(dòng)作。但是，現(xiàn)有機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)中的機(jī)械關(guān)節(jié)存在以下一些缺陷(I)結(jié)構(gòu)笨重?，F(xiàn)有的機(jī)械關(guān)節(jié)一般采用箱式結(jié)構(gòu)，重量較大，因此需要選用大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)，自重較重、成本較高。(2)安全性差。由于大型四足仿生機(jī)械恐龍的整體重量較大，因此，腿部結(jié)構(gòu)中的機(jī)械關(guān)節(jié)多采用齒輪傳動(dòng)以提高驅(qū)動(dòng)力。但是，齒輪傳動(dòng)不具有自鎖性，在運(yùn)動(dòng)過程中，容易出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)等不穩(wěn)定因素。(3)采用現(xiàn)有腿部結(jié)構(gòu)的機(jī)械恐龍穩(wěn)定性較差。對(duì)于大型四足仿生機(jī)械恐龍而言，行走的穩(wěn)定性控制是非常重要的，現(xiàn)有的控制方法是通過調(diào)整腿部姿態(tài)控制整體重心位于立足點(diǎn)所圍區(qū)域內(nèi)，但是，這種方式的調(diào)整難度較大，穩(wěn)定性較差。有鑒于此，需要對(duì)大型四足仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，并且具有三個(gè)自由度，從而可以使機(jī)械恐龍通過左、右側(cè)傾來進(jìn)一步調(diào)整重心，提高大型四足仿生機(jī)械恐龍行走的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決如何簡(jiǎn)化大型四足仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)，提聞行走穩(wěn)定性的問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種機(jī)械關(guān)節(jié)，包括第一支架和第二支架，所述第一支架包括第一、第二側(cè)板以及伺服電機(jī)，所述第一、第二側(cè)板平行設(shè)置，所述伺服電機(jī)固定在所述第一、第二側(cè)板之間，所述伺服電機(jī)的輸出端固定連接一個(gè)蝸桿；所述第二支架的一端固定設(shè)有一轉(zhuǎn)軸，所述第一、第二側(cè)板的一端分別轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在所述轉(zhuǎn)軸的兩端，所述轉(zhuǎn)軸的中部固定設(shè)有蝸輪，所述蝸輪與所述蝸桿嚙合。在上述機(jī)械關(guān)節(jié)中，所述蝸輪具有一個(gè)軸套部和一個(gè)齒部，所述齒部為扇形不完全蝸輪，并通過扇形連接部與所述軸套部連接，所述扇形連接部的厚度小于齒部的厚度，且沿周向均布設(shè)有多個(gè)通孔。
在上述機(jī)械關(guān)節(jié)中，所述轉(zhuǎn)軸的兩端分別設(shè)有滾動(dòng)軸承，所述滾動(dòng)軸承的兩側(cè)分別設(shè)有第一、二擋板，所述第一、第二側(cè)板的一端分別套裝在所述滾動(dòng)軸承上并通過所述第一、第二擋板軸向限位。在上述機(jī)械關(guān)節(jié)中，所述伺服電機(jī)為減速電機(jī)。本發(fā)明還提供了一種仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)，包括依次連接的髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)，所述髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)采用如權(quán)利要求I所述的機(jī)械關(guān)節(jié)，所述大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線平行，所述髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線與所述大腿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線垂直。在上述仿生機(jī)械恐龍腿部結(jié)構(gòu)中，所述髖關(guān)節(jié)上的第二支架的兩端分別設(shè)有第一、第二缺口，所述第一、第二缺口上分別設(shè)有貫穿其缺口側(cè)壁的第一、第二貫穿通孔，所述第一、第二貫穿通孔的軸線相互垂直，所述轉(zhuǎn)軸穿裝在所述第一貫穿通孔內(nèi)。在上述仿生機(jī)械恐龍腿部結(jié)構(gòu)中，所述第一、第二側(cè)板的一端具有一個(gè)弧形凸出 部，另一端具有一個(gè)與所述弧形凸出部相適配的弧形凹陷部，所述弧形凸出部的一側(cè)設(shè)有一個(gè)矩形凸出部，所述伺服電機(jī)傾斜設(shè)置且固定在所述矩形凸出部上。在上述仿生機(jī)械恐龍腿部結(jié)構(gòu)中，所述側(cè)板上以及所述矩形凸出部上分別開有通孔。在上述仿生機(jī)械恐龍腿部結(jié)構(gòu)中，所述髖關(guān)節(jié)的第二支架具有一個(gè)四棱柱狀的支架主體，所述第一、第二缺口分別設(shè)置在所述支架主體的兩端，所述支架主體的側(cè)壁上分別設(shè)有貫通的矩形通孔。在上述仿生機(jī)械恐龍腿部結(jié)構(gòu)中，所述轉(zhuǎn)軸通過鍵與所述第一貫穿通孔連接。本發(fā)明，利用板式結(jié)構(gòu)取代箱式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，大大降低了整體重量，并且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了蝸桿結(jié)構(gòu)，具有自鎖性，提高了伺服電機(jī)的使用壽命。


圖I為本發(fā)明提供的機(jī)械關(guān)節(jié)立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I所示的機(jī)械關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖I所示的機(jī)械關(guān)節(jié)側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明中的第一支架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明中的第二支架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖5所示第二支架與轉(zhuǎn)軸、齒輪的分解裝配構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明中的齒輪結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明提供的仿生機(jī)械恐龍腿部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的機(jī)械關(guān)節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，而且該機(jī)械關(guān)節(jié)具有三個(gè)自由度，非常適合應(yīng)用于大型四足仿生機(jī)械恐龍。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作出詳細(xì)的說明。圖I為本發(fā)明提供的機(jī)械關(guān)節(jié)立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖I所示的機(jī)械關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖(除去第一或第二側(cè)板)，圖3為圖I所示的機(jī)械關(guān)節(jié)側(cè)視圖，如圖I、圖2、圖3所示，機(jī)械關(guān)節(jié)包括第一支架10和第二支架20。第一支架10的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括第一、第二側(cè)板11、12以及伺服電機(jī)13，第一、第二側(cè)板11、12平行設(shè)置，伺服電機(jī)13固定在第一、第二側(cè)板11、12之間，伺服電機(jī)13為減速電機(jī)，其輸出端固定連接一個(gè)蝸桿14。第二支架20的下端固定設(shè)有一轉(zhuǎn)軸21，第二支架20的上端設(shè)有與相鄰關(guān)節(jié)連接的安裝孔，轉(zhuǎn)軸21的兩端分別轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在第一、第二側(cè)板11、12上，轉(zhuǎn)軸21的中部通過鍵連接固定設(shè)有蝸輪22，蝸輪22與蝸桿14嚙合。伺服電機(jī)13轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過蝸桿14帶動(dòng)蝸輪22轉(zhuǎn)動(dòng)，由于蝸輪22與第二支架20固定，因此，第二支架20隨伺服電機(jī)13的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，使第一支架10與第二支架20之間的夾角增大或減小。再參見圖5、圖6，圖5為本發(fā)明中的第二支架的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為圖5所示第二支架的分解結(jié)構(gòu)示意圖。第二支架20的下端設(shè)有第一缺口 27，蝸輪22位于第一缺口 27內(nèi)且與轉(zhuǎn)軸21通過鍵連接，同時(shí)，鍵也將轉(zhuǎn)軸21和第二支架20連接。轉(zhuǎn)軸21的兩端伸出第二支架20后分別設(shè)有滾動(dòng)軸承23，滾動(dòng)軸承23的兩側(cè)分別設(shè)有第一、二擋板24、25，第一擋板24呈圓片狀，第二擋板25具有一個(gè)圓片狀擋板本體251，且擋板本體251的中心處設(shè)有一個(gè)軸套252，第一、二擋板24、25分別設(shè)置在第一缺口 27的一個(gè)側(cè)壁的兩側(cè)，第一、第 二側(cè)板11、12的上端分別套裝在滾動(dòng)軸承23上，且第二擋板25上的軸套252同時(shí)套裝在滾動(dòng)軸承23的外圈上，蓋板26設(shè)置在第二擋板25的外側(cè)，第一、第二擋板24、25以及蓋板26均固定在第一缺口 27的側(cè)壁上，第一擋板24通過轉(zhuǎn)軸21上的軸肩進(jìn)行軸向限位，第一、第二擋板24、25用于防止第一、第二側(cè)板11、12沿轉(zhuǎn)軸21的軸向移動(dòng),蓋板26用于封堵轉(zhuǎn)軸21上的鍵，防止鍵滑出，滾動(dòng)軸承23的內(nèi)圈則通過轉(zhuǎn)軸21上的彈簧擋圈限位。第二擋板25的結(jié)構(gòu)，可以使第一、第二側(cè)板的厚度小于滾動(dòng)軸承的厚度，減輕了第一、第二側(cè)板的重量。為了減輕機(jī)械關(guān)節(jié)重量，本發(fā)明對(duì)蝸輪21的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖7所示，蝸輪21具有一個(gè)軸套部211和一個(gè)齒部212，軸套部211用于與轉(zhuǎn)軸21連接，齒部212用于與蝸桿14嚙合。齒部212為扇形不完全蝸輪，并通過扇形連接部213與軸套部211連接，扇形連接部213的厚度小于齒部212的厚度，且沿周向均布設(shè)有多個(gè)通孔214，通過扇形不完全蝸輪形成的齒部212以及設(shè)置通孔214，既滿足了使用要求，又可以大大減輕蝸輪21的重量。第一、第二側(cè)板11、12結(jié)構(gòu)相同，下面第一側(cè)板12為例進(jìn)行說明。如圖I、圖4所示，第二側(cè)板12的一端具有一個(gè)弧形凸出部121，另一端具有一個(gè)與弧形凸出部121相適配的弧形凹陷部122，弧形凸出部122的一側(cè)設(shè)有一個(gè)傾斜設(shè)置的矩形部123，伺服電機(jī)13傾斜設(shè)置且固定在矩形部123上。第二側(cè)板12以及矩形部123上分別開有通孔124，從而進(jìn)一步減輕了第二側(cè)板12的重量。本發(fā)明還提供了一種仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)(仿生機(jī)械恐龍的機(jī)械腿)，采用了開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)，具有三個(gè)自由度，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式為伺服電機(jī)，傳動(dòng)減速器采用了蝸輪蝸桿減速器，在仿生恐龍需要外輪廓包裝的基本原則下，盡量減小腿部外包裝直徑的大小。如圖8所示，腿部結(jié)構(gòu)包括依次連接的髖關(guān)節(jié)100、大腿關(guān)節(jié)200和小腿關(guān)節(jié)300，小腿關(guān)節(jié)300和下端固定設(shè)有減震橡膠墊塊400。髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)均采用上述結(jié)構(gòu)的機(jī)械關(guān)節(jié)，其中大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線相互平行，大腿關(guān)節(jié)中的第一支架與小腿關(guān)節(jié)中的第二支架固定，大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)中的伺服電機(jī)的軸線方向沿腿部連桿方向(第一、第二側(cè)板的縱向)設(shè)置；髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線與大腿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線相互垂直，髖關(guān)節(jié)中的第一支架與大腿關(guān)節(jié)中的第二支架固定，髖關(guān)節(jié)中的伺服電機(jī)的軸線朝向軀體內(nèi)部。這樣，通過髖關(guān)節(jié)可以改變大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)之間在左、右方向上的夾角，實(shí)現(xiàn)機(jī)械恐龍的左、右側(cè)傾動(dòng)作，通過大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)可以改變二者之間的夾角，實(shí)現(xiàn)抬腿、落腿動(dòng)作。再參見圖8，大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)中的伺服電機(jī)均位于相應(yīng)關(guān)節(jié)中的齒輪下方，這樣，使得腿部結(jié)構(gòu)更加緊湊。另外，在上述腿部結(jié)構(gòu)中，大腿關(guān)節(jié)中的第二支架的下端分別與小腿關(guān)節(jié)中第一支架的第一、第二側(cè)板上端內(nèi)側(cè)固定，這樣，大腿關(guān)節(jié)中的第一、第二側(cè)板下端的弧形凹陷部與小腿關(guān)節(jié)中第一支架的第一、第二側(cè)板上端的弧形凸出部相對(duì)應(yīng)，可以避免在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生干涉。而髖關(guān)節(jié)的第二支架較長(zhǎng)，上部用于與機(jī)械恐龍的軀干固定連接，如圖6所示，髖關(guān)節(jié)的第二支架具有一個(gè)四棱柱狀的支架主體110，第一、第二缺口 27、28分別設(shè)置在支架主體110的兩端，第一、第二缺口 27、28上分別設(shè)有貫穿其側(cè)壁的第一、第二貫穿通孔111、112，第一、第二貫穿通孔111、112的軸線相互垂直，轉(zhuǎn)軸21穿裝在第一貫穿通孔111內(nèi)，并通過鍵結(jié)構(gòu)固定連接，支架主體110的側(cè)壁上分別設(shè)有貫通的矩形通孔113，用于減輕支架主體110的重量，且第一、第二缺口 27、28的端部呈圓弧形，可以避 免轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生干涉。綜上所述，本發(fā)明提供的仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)(I)增加了髖關(guān)節(jié)，從而使機(jī)械恐龍可以左、右側(cè)傾，方便了行走穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)。(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。利用板式結(jié)構(gòu)取代箱式結(jié)構(gòu)，大大降低了整體重量。(3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了蝸桿結(jié)構(gòu)，具有自鎖性，因此，在機(jī)械恐龍停止運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，各關(guān)節(jié)能夠繼續(xù)保持原有的狀態(tài)，保持穩(wěn)定性；并且伺服電機(jī)不受力，提高了伺服電機(jī)的使用壽命。本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.機(jī)械關(guān)節(jié)，其特征在于，包括 第一支架，所述第一支架包括第一、第二側(cè)板以及伺服電機(jī)，所述第一、第二側(cè)板平行設(shè)置，所述伺服電機(jī)固定在所述第一、第二側(cè)板之間，所述伺服電機(jī)的輸出端固定連接一個(gè)蝸桿； 第二支架，其一端固定設(shè)有一轉(zhuǎn)軸，所述第一、第二側(cè)板的一端分別轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在所述轉(zhuǎn)軸的兩端，所述轉(zhuǎn)軸的中部固定設(shè)有蝸輪，所述蝸輪與所述蝸桿嚙合。
2.如權(quán)利要求I所述的機(jī)械關(guān)節(jié)，其特征在于， 所述蝸輪具有一個(gè)軸套部和一個(gè)齒部，所述齒部為扇形不完全齒輪，并通過扇形連接部與所述軸套部連接，所述扇形連接部的厚度小于齒部的厚度，且沿周向均布設(shè)有多個(gè)通孔。
3.如權(quán)利要求I所述的機(jī)械關(guān)節(jié)，其特征在于 所述轉(zhuǎn)軸的兩端分別設(shè)有滾動(dòng)軸承，所述滾動(dòng)軸承的兩側(cè)分別設(shè)有第一、二擋板，所述第一、第二側(cè)板的一端分別套裝在所述滾動(dòng)軸承上并通過所述第一、第二擋板軸向限位。
4.如權(quán)利要求I所述的機(jī)械關(guān)節(jié)，其特征在于 所述伺服電機(jī)為減速電機(jī)。
5.仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)，其特征在于包括依次連接的髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)，所述髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)采用如權(quán)利要求I所述的機(jī)械關(guān)節(jié)，所述大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線平行，所述髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線與所述大腿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線垂直。
6.如權(quán)利要求5所述的仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述髖關(guān)節(jié)的第二支架的兩端分別設(shè)有第一、第二缺口，所述第一、第二缺口上分別設(shè)有貫穿其缺口側(cè)壁的第一、第二貫穿通孔，所述第一、第二貫穿通孔的軸線相互垂直，所述轉(zhuǎn)軸穿裝在所述第一貫穿通孔內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述第一、第二側(cè)板的一端具有一個(gè)弧形凸出部，另一端具有一個(gè)與所述弧形凸出部相適配的弧形凹陷部，所述弧形凸出部的一側(cè)設(shè)有一個(gè)矩形凸出部，所述伺服電機(jī)傾斜設(shè)置且固定在所述矩形凸出部上。
8.如權(quán)利要求7所述的仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述側(cè)板上以及所述矩形凸出部上分別開有通孔。
9.如權(quán)利要求6所述的仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述髖關(guān)節(jié)的第二支架具有一個(gè)四棱柱狀的支架主體，所述第一、第二缺口分別設(shè)置在所述支架主體的兩端，所述支架主體的側(cè)壁上分別設(shè)有貫通的矩形通孔。
10.如權(quán)利要求9所述的仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)，其特征在于所述轉(zhuǎn)軸通過鍵與所述第一貫穿通孔連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)械關(guān)節(jié)，機(jī)械關(guān)節(jié)，包括第一支架和第二支架，所述第一支架包括第一、第二側(cè)板以及伺服電機(jī)，所述第一、第二側(cè)板平行設(shè)置，所述伺服電機(jī)固定在所述第一、第二側(cè)板之間，所述伺服電機(jī)的輸出端固定連接一個(gè)蝸桿；所述第二支架的一端固定設(shè)有一轉(zhuǎn)軸，所述第一、第二側(cè)板的一端分別轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在所述轉(zhuǎn)軸的兩端，所述轉(zhuǎn)軸的中部固定設(shè)有蝸輪，所述蝸輪與所述蝸桿嚙合。本發(fā)明，利用板式結(jié)構(gòu)取代箱式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，大大降低了整體重量，并且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了蝸桿結(jié)構(gòu)，具有自鎖性，提高了伺服電機(jī)的使用壽命。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提供了一種仿生機(jī)械恐龍的腿部結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B62D57/032GK102795274SQ20121030119
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者韓曉建, 朱位, 孫宇, 齊威 申請(qǐng)人:中科宇博(北京)文化有限公司